电磁场与电磁波仿真实验教学研究

郭 瑜 虞致国

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

当前，无线通信系统不论是通信、雷达、电视、广播，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。电磁场与电磁波的基础理论、计算方法与其应用是成为信息技术专业人员所需掌握的基础技术之一，已成为各大高校电子信息工程类与电气信息类专业的一门基础课程[1]。该课程设置的主要目的是通过对电磁现象的讲授，使学生基本掌握电磁场与电磁波领域所涉及的基本理论、基本计算方法与应用，具备一定的分析和解决基本的电磁工程问题的能力，为以后课程学习与工作奠定一定的基础。

电磁场与电磁波是一门重点课程，同时也是一门难点课程，对于这门课程的教授与学习主要有以下的特点：(1) 理论性强，计算繁琐。对于电磁场问题的分析与求解涉及许多高等物理与高等数学的问题，例如麦克斯韦方程组与达朗贝尔方程的推导与法拉第电磁感应定律、海姆霍夫定理与坡印廷定律等定理的理解等问题，都需要学生具有扎实的基础知识与较好的数学计算与推导能力[2]。(2) 概念抽象。电磁场与电磁波具有复杂的空间分布，且具有不可见与不可感知的特点，对其传播特性与工作状态等很难理解与掌握；而且对其分析引入了虚空间的概念，对于习惯于三维空间思维的学生，就进一步增加了理解的难度。(3) 时空分布复杂。电磁场的分布与电磁波的传导是动态变化的，传统的理论推导与绘图很难体现其动态特性。

由于电磁场与电磁波具有以上的特点，因此，对该课程的教学一直是各大高校研究的重点与难点。传统的教学方法侧重于理论的推导与数学计算，加之实验设备价格较为昂贵，极大增加了教学的难度，不利于学生对本门课程的学习与掌握。随着现代教学理念的提升与计算机技术的发展，教学方法更加多样化与多元化，计算机辅助教学成为现代教学的重要组成部分[3-4]。

高频电磁仿真设计软件HFSS(High Frequency Simulator Structure)是美国Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件，其功能强大、界面友好、计算结果准确，是业界公认的三维电磁场设计与分析的工业标准。将HFSS应用于电磁场与电磁波的教学过程中，凭其强大的计算与分析能力，可以形象准确地展示出电磁场与电磁波的三维空间分布情况，而且凭借其动态演示功能可以形象演示电磁场与电磁波的动态传播过程，有助于增强学生对抽象知识的理解，提高学生的学习兴趣，大大改善教学效果[5-6]。HFSS具有自动化的设计流程，操作简单，易学易用，增强了学生的实践能力，提高了学生的综合素质。

1 HFSS软件仿真实例

1.1 矩形波导中电磁波的传播

波导是最常见的微波传输线之一，由于其结构简单、无辐射损耗和外界干扰、击穿强度高等特点，在微波频段得到了广泛应用[7]。矩形波导是横截面为矩形的理想规则波导。其横截面的几何结构、壁结构和填充媒质在轴向都不改变，且波导壁是理想的导体，填充物是理想介质，如图1所示。

图1 矩形波导示意

利用高频电磁仿真软件对矩形波导管进行仿真，可以具体阐述TE波是怎么在矩形波导管中传播的。

TE波是横电波(Transverse electric Wave)，电场有横向分量、无纵向分量，磁场却有纵向和横向分量。根据电磁场有关理论，TE波的分量方程：

Ez=0

(1)

exp(jωt-rz)

(2)

exp(jωt-rz)

(3)

(4)

exp(jωt-rz)

(5)

exp(jωt-rz)

(6)

选择一定的a、b，便可决定不同的波形。设置矩形波导的尺寸为25 mm×12 mm×50 mm，中心工作频率为10 GHz，计算得：此时只能传播TE10模。

该TE10模的相位常数为:

(7)

波导波长:

39.75 mm

(8)

TE10模的相速:

(9)

TE10模的波阻抗:

(10)

利用HFSS软件对TE10模进行仿真分析，其电磁场分布，如图2-5所示。

图2 电场幅度分布

图3 磁场幅度分布

图4 电场矢量分布

(1)由图2和图3可知，电场幅值Y分量在宽壁中间最大，磁场幅值X分量在宽壁中间最大。由图4和图5可知，电场和磁场沿Z轴每隔半个波长反向。电场只有Y分量，磁场只有X、Z分量，且磁场线闭合。

1.2 微带线中电磁场的传播

微带线，是一种常见的适合制作微波集成电路的平面结构传输线。微带线是一种带状导线，与地平面之间用一种电介质隔离开，其另一面直接接触空气，只有一个地平面作为参考层面[7]，如图6所示。微带线的几何结构并不复杂，但是它的电场和磁场却相当复杂，在微带线上传输的并不是严格的TEM波，而是准TEM波。由于介质基片的存在，场的能量主要集中在基片区域，其场分布与TEM波非常接近，故称为准TEM波。

图6 微带线结构

利用仿真软件HFSS对其进行仿真，绘出其电磁场的分布图，并对其进行分析。

图7 电场分布

图8 磁场分布

(1)由图7与图8可以看出，微带线中电磁场通过传输线进行传播，能量由中心到两边逐渐减小。

(2)由图9与图10可以看出，电磁场在传输线中是通过电场与磁场的相互耦合的方式传播的。电场与磁场都是入射波与反射板的合成波，是一行驻波。由于仿真的微带传输线材料为铜，相当于一个阻抗负载，部分电磁场能力会被负载所反射，从而产生反射波而形成行驻波。

图9 电场矢量分布

图10 磁场矢量分布

1.3 共面波导中电磁场的传播

在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面，这样就构成了共面波导(CPW)，又叫共面微带传输线，如图11所示。

图11 共面微带传输线

共面波导与微带线都是常见的微带传输线，其具有质量小、体积小、频带宽等优点，且便于与微波集成电路相连接，并能构成各种用途的微波元件，因此得到了广泛的应用。共面波导由于其尺寸小、色散低、损耗高、耦合弱、设计可行性好(不需要打孔，地板和信号带线共面)的优点，在频率很高的微波集成电路中有很大的优势。

利用共面波导结构设计了一款二阶带通滤波器，如图12、图13所示。

图12 CPW带通滤波器三维结构

图13 S11与S21参数曲线

该滤波器呈对称结构，由顶层金属板、底层金属板与中间介质层组成，顶层金属板与底层金属板材料为铜，介质材料为陶瓷材料MC45。共面波导传输线设计在顶层金属板上，采用槽线环形开路与共面波导短路的方式，实现共面波导到槽线的转换。利用仿真软件HFSS对其进行仿真，得到S11与S21参数曲线。

该结构的工作频率为3.82 GHz到8.04 GHz，插入损耗在1 dB以内，回波损耗大于10 dB。

2 结语

将电磁仿真软件HFSS应用于电磁场与电磁波课程的教学当中，凭借其强大的计算与分析能力，可以将抽象难懂的电磁学形象化，生动形象地展示电磁场与电磁波的分布情况与动态的传播过程，并且可以利用其强大的功能计算出一些基本的参数。这不仅可以激发学生对课程的学习兴趣，弥补部分学校实验设备的不足，大大改善课堂教学效果；还可以通过对该微波仿真软件的演示与使用，增强学生的实践经验与动手能力，提高学生的综合素质。

参考文献：

[1] 王蔷,凌丹,洪兴楠，等.电磁场与微波通信教学实验新体系[J].实验技术与管理，2005(22):110-113.

[2] 朱福安.“电磁场与电磁波”课程教学实践与探讨[J].中国电力教育,2013(26):45.

[3] 甘宏,潘丹.基于网络技术支持课程教学改革[J].无锡职业技术学院学报, 2008(4): 72-74.

[4] 刘万强,孙贤明,王海华.电磁场与电磁波实验教学的探索与实践[J].大学物理,2012,31(3):73-75.

[5] 郝丽.基于Ansoft的电磁场实验仿真软件开发[J].实验技术与管理,2013,30(9): 104-106.

[6] 谢拥军,刘莹,李磊，等. HFSS原理与工程应用[M].北京：北京科学出版社,2009.

[7] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：高等教育出版社,2006.